育种技术不断创新 促进实现粮食安全

2016-10-21 | 作者: 张静松 | 标签: 育种技术 转基因育种

种子是农业生物技术的载体。高质量的种子能够使幼苗在田间获得优秀的表现,而这也是作物高产的基础。

目前,育种技术以及种子相关技术创新的最重要驱动因素是世界人口增长以及气候变化引发的粮食安全问题。根据联合国粮食和农业组织的预测,到2050年,世界人口将达到91亿,而要养活这么多人,则需要在2005年到2050年之间将粮食产量提高约70%。

不断创新的育种技术是达成这一目标的重要组成部分,通过先进的育种技术筛选出耐盐性状、抗病虫害性状以及最为复杂的高产量性状,进而提高作物在田间的综合表现,提高产量。近几年来,各大公司、研究机构投入了大量的资源用于开发先进的育种技术,包括传统育种技术、转基因育种技术以及新育种技术。下文中将对这些技术在过去几年中的发展情况做一个简单的回顾和讨论。

传统育种技术

传统育种实质上包含了对最优秀植株长时间的多次筛选。而这种筛选包含了在给定的栽培环境下随机出现的优秀植株的筛选以及通过对生长在试验田植株多年大规模统计研究的筛选。

现代的传统育种结合了杂交育种以及一些尖端的实验室技术,包括诱导多倍体、组织培养、胚胎拯救以及诱变等技术。例如在2008年,巴斯夫在向日葵上开发了一种CLEARFIELD技术,该技术可以使向日葵耐受咪唑啉酮类除草剂。巴斯夫最初在向日葵的野生种群中发现了一种乙酰乳酸合成酶(AHAS)基因天然突变的植株,而AHAS恰好是咪唑啉酮类除草剂的靶标蛋白。之后他们通过诱变的技术在其他作物上也实现了应用,如小麦、水稻、油菜等作物。

此外,一些公司将传统育种与种子增强技术进行了结合,包括引发、浸种、硬化、催芽等。例如,荷兰的蔬菜公司Bejo在今年推出了一款B-Mox加强型种子配方。该配方将传统育种和种子引发技术相结合,同时又结合了自然的种子增强组分,为幼苗生长提供了更多的能量,改善植物的活力。而另外一家公司,圣尼斯(Seminis)则将传统育种和引发后处理技术结合在一起,进而延长了引发种子的寿命。

传统育种产生了许多开放授粉品种以及杂交品种,对过去几十年间的农业生产率产生了巨大的影响。尽管这种育种方式花费的时间较长并且有很多限制,例如育种只能在两种可以相互交配的植株间进行,当作物杂交时许多不相关的、可能对产量有不利影响的性状也会转移过来,但是受益于有机食品市场的快速发展以及对转基因产品的担忧,使传统育种的重要性进一步的上升。

转基因育种技术

转基因育种技术能够将外源的基因带入到宿主植物中,这些插入到宿主基因组的外源片段可能来自于另一种完全不相关的植物,或者一个完全不同的物种。而这正是这种育种技术的美妙之处,它打破了植物通过授粉的方式正常获取基因的途径,可以不用考虑外源基因的来源,直接将其克隆到宿主基因组中。而这种含有外源基因的植物通常被称为转基因作物。

转基因作物通常会表达一些特异性的蛋白质,例如来源于苏云金杆菌(Bt)的Cry毒素、抗除草剂蛋白以及用于植物疫苗的抗体和抗原。在过去的20年间,孟山都、杜邦以及先正达等跨国企业在市场上推出了许多转基因作物品种,特别是孟山都,该公司的Bt转基因作物以及抗农达作物是世界上最成功的两种转基因作物。转基因作物也被认为是现代农业历史上被接受得最快的作物技术。自从第一个转基因作物商业化以来,全球转基因作物发展迅猛,种植面积从1996年的170万公顷增至2015年的1.797亿公顷,20年时间增长100倍。

近年来,转基因育种的发展趋势开始从单基因性状,如抗除草剂和抗虫性,转向更复杂的农艺性状,包括增强光合作用、增加产量、修饰种子组分、改变糖和淀粉代谢以及增强对生物和非生物逆境的响应等性状。例如,孟山都在去年上市了Roundup Ready 2 Xtend技术,该技术包含有抗除草剂麦草畏以及草甘膦的性状。此外,该技术还整合了孟山都含有高产量性状的Genuity® Roundup Ready 2 Yield®技术,能够为农民带来最大的收益。另外一个跨国巨头,拜耳作物科学则在2014年推出了第三代棉花种子育种技术,该技术结合了GlyTol®-LibertyLink®-TwinLink®(GLT)三种技术,包含抗草甘膦和草铵膦性状,两个控制鳞翅类幼虫的Bt基因(Cry1Ab和Cry2Ae)以及增加棉花纤维产量的性状。

转基因育种技术在过去的20年间取得了巨大的成果,拥有巨大的商业价值。然而这项技术仍然面临着许多技术性的挑战,例如在很多重要的经济作物或者特定的精英品种上,对于遗传转化和再生仍处于高度的抵制状态。此外,近年来转基因技术由于不可测的环境和食品安全的风险受到越来越多的反对,即使许多这样的指控是毫无依据的。

新育种技术

新育种技术事实上并不新,相反多年以来很多人一直在使用这些技术。这个概念的提出源于2007 年,欧盟委员会在国家权威机构的要求下成立了一个新技术小组评估一些新育种技术是否在转基因政策的法规范围内。其中包括基因编辑技术,包括锌指核酸酶(ZFNs)、TALENs、CRISPR-Cas9 以及寡核苷酸定点诱变(ODM);同源转基因和内源转基因;RNA 介导的DNA 甲基化技术(RdDM);嫁接(在转基因作物上);反向育种和农杆菌侵染。

和“老”的育种技术相比,新育种技术拥有更加明显的技术优势。举例来说,基因编辑技术可以实现对特定基因组片段的敲除、加入等变化。而除了同源/ 内源转基因技术以及ZFN-3 技术外,其他的新育种技术并不会引入新的DNA 片段。并且用于编码目标性状的遗传信息只会暂时性的出现在植物体内或者只稳定的存在于用于育种的媒介植株中。因此,应用这些新育种技术选育产生的商业化作物并不会包含一个插入到基因组的外源基因片段。而这也正是生物技术公司强调的用新育种技术选育的作物不能归类在转基因政策下的主要原因。此外,新育种技术由于加快了育种进程,使选育新品种的成本大幅下降,具有更加显著的经济优势。

举例来说,应用新育种技术,育种家可能只需要一年的时间就能够培育出新的马铃薯品种,而正常而言这一过程可能需要超过10 年的时间。

近年来,许多公司都积极的参与开发新育种技术,包括像杜邦、孟山都这样的跨国企业以及许多生物技术公司,例如荷兰的KeyGene、美国的Arcadia Bioscience、以色列的Evogene 等。在这些新育种技术中,基因编辑技术获得了最多的关注,尤其是CRISPR-Cas9,这个最新的基因编辑技术被认为是最有前途的育种技术。美国的Cibus 公司,一家在非转基因育种和精准基因编辑技术上处于领先地位的企业,应用其开发的RTDS ™ ( 快速性状选育系统) 技术, 成功培育了第一个批准商品化的基因编辑产品——SU 油菜( 耐磺酰脲类除草剂)。其中RTDS ™技术包含了ODM,CRISPRs 以及其它的基因编辑技术。目前该品种油菜在美国的种植面积已达4000 公顷,并将于明年再加拿大作为非转基因产品上市。此外,今年4 月,杜邦先锋宣布蜡质杂交玉米将作为其应用CRISPR-Cas9 育种技术推出的第一个商业化农产品,该产品预计将在5 年内上市。

尽管基因编辑技术和其他的新育种技术拥有许多的优点,但是研究者表示,目前在基因编辑和剪切过程中仍然有所谓的脱靶效应存在。鉴于此,反对转基因的批评者认为基因编辑作物和转基因作物没什么不同,都应该受转基因法规的约束。直到现在,美国和加拿大政府在评估使用新育种技术的作物时,还是根据具体问题具体分析的原则处理, 但是到目前为止,两国政府并不把包含新育种技术的作物当成转基因作物看待。南美的阿根廷也采取了类似的做法,而根据报道, 中国政府也正在研究如何规范这种技术。

至于欧盟,Cibus 公司已经得到了6 个欧盟国家的确认,该公司的SU 油菜为非转基因产品,可以进行田间试验。然而在2015 年,欧盟委员会要求所有欧盟成员国“在针对新育种技术相关相关法律法规的出台前,尽可能的等待委员会对该技术的司法解释结果。”委员会最初预计在2015 年底发布相关意见,但是随后被推迟。在今年三月份,该委员会表示将进一步推迟意见发表日期。

在未来的几年内,世界各国政府将会陆续出台针对新育种技术的最终处理意见。这些政府的决定不仅会对该技术的推广产生重要的影响,同时也会对全球的农业供应链产生深远的影响。如果应用新育种技术的作物被归类为非转基因作物, 那么这将成为未来几年内种业最重要的新闻,并将极大的加快育种技术的创新。否则,如转基因作物一样,风险评估以及复杂的登记步骤将大幅的推高育种的成本,使该技术不具有明显的竞争优势。 

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来源:AgroPages世界农化网

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